[发明专利]TA15钛合金与奥氏体不锈钢的填丝钨极氩弧焊工艺

说明书

技术领域

本发明属于异种材料连接技术，涉及材料、机械、航空航天、化工等技术领域，尤其是一种TA15钛合金与奥氏体不锈钢的填丝钨极氩弧焊工艺。

背景技术

目前TA15钛合金凭借比强度高、耐腐蚀、焊接性良好等优点，在航空航天、化工、电站等领域得到了广泛应用。TA15钛合金对于减轻结构质量、提高结构效率、改善结构可靠性、提高机体寿命、满足高温和高载及腐蚀环境要求等方面能发挥重要作用。

单一TA15钛合金很难同时满足产品不同部位对使用性能的不同要求。在某些情况下，需要兼有钛合金与不锈钢的优良特性的异种材料连接件，如核动力装置中核燃料后处理设备中的某些零件、卫星燃料喷注器、电镀设备零件、反应塔、强酸强碱容器、高尔夫球杆及医疗设备零件等，大多都是采用钛包覆钢的结构。这种钛钢复合结构在工业中的应用势必涉及到二者的焊接问题，然而由于TA15钛合金和不锈钢之间的物理和化学性能差异较大，尤其是线膨胀系数的不同导致熔化焊时变形量不同，接头产生很大的残余应力，容易导致焊缝区和热影响区产生裂纹，严重时至可以导致焊缝与母材的剥离。并且TA15钛合金和不锈钢互溶性差，容易形成大量脆性含钛的金属间化合物(如Ni₃Ti、NiTi₂、Fe₂Ti、FeTi、Cr₃Ti等)，明显降低焊接接头的强度和韧性。这已成为制约TA15钛合金产品使用性能提高和TA15钛合金潜能充分发挥的主要技术瓶颈。

目前，钛和不锈钢异种材料的焊接主要采用真空钎焊、扩散连接、激光焊、电子束焊和爆炸焊方法。钛与不锈钢钎焊虽可以获得一定使用性能的接头，但接头使用温度较低，而且耐蚀性也常满足不了较高的要求；扩散连接钛与不锈钢常采用复合中间层Cu-V或Cu-Mn-Ni可以得到强度较高的接头，但接头形状和尺寸受到极大的限制，并且工艺复杂，精度难以控制；采用激光焊和电子束焊方法连接钛与不锈钢时，对焊件的装配精度要求严格，并且设备成本较高；爆炸焊虽然是进行大面积复合板连接最有效的办法，但也存在变形量大、组织和性能不均匀等问题。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种TA15钛合金与奥氏体不锈钢的填丝钨极氩弧焊工艺，该工艺基于铜与镍无限互溶，铜与钛、铁、铬有限固溶，铜固溶体具有较高的强度和塑性及铜-钛金属间化合物的脆性较低等特点，通过采用纯铜焊丝和降低TA15钛合金母材熔合比，使焊缝区析出铜固溶体、减少脆性金属间化合物，提高TA15钛合金与不锈钢异种材料焊接接头的强度和韧性。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种TA15钛合金与奥氏体不锈钢异种材料连接工艺，步骤如下：

(1)纯铜焊丝准备：在TA15钛合金与奥氏体不锈钢连接件之间添加纯铜焊丝，通过纯铜焊丝填充，焊后使焊缝区析出铜固溶体，减少焊缝区含钛量及脆性金属间化合物，保证焊接接头的韧性；焊前用砂纸将纯铜焊丝表面打磨干净、直至完全露出金属光泽，备用；

(2)焊前清理：焊前将加工平整的TA15钛合金与奥氏体不锈钢的待连接表面用砂纸打磨，使待焊面的粗糙度达到Ra 1.6～3.2；

(3)焊前装配：将尺寸规格相当的TA15钛合金与奥氏体不锈钢板水平对接放置，装配间隙为0.05mm～0.15mm，TA15钛合金一侧开30°～45°单面V形坡口，钝边为1～2mm；

(4)施焊过程：先采用氧-乙炔火焰将TA15钛合金与奥氏体不锈钢焊件进行焊前预热，采用钨极氩弧控制热量分布进行填丝钨极氩弧焊接，焊接过程中采用纯氩气对焊接区域进行保护，防止H、O、N对焊接接头性能的有害影响；

(5)焊后缓冷：焊后立即用石棉布覆盖焊件进行保温，直至温度冷至50℃以下时方可移开。

步骤(1)中所述的纯铜焊丝，包括以下质量分数%的组分：Sn 0.8～1.0，Si 0.2～0.5，Mn0.3～0.5，余量为Cu。

步骤(1)中所述的纯铜焊丝直径为2.0～2.5mm。

步骤(4)中所述的焊前预热，预热温度为150～250℃。

步骤(4)中所述的控制热量分布，通过调整钨极氩弧焊热源位置，使其加热斑点位于TA15钛合金与奥氏体不锈钢界面附近偏向不锈钢一侧，降低TA15钛合金母材熔合比，减少焊缝区含钛量及脆性金属间化合物，避免焊接接头开裂。